КАЗАХСКО-АМЕРИКАНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЭЛЕКТРОННЫЕ, КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Программа, методическое указание и контрольные задания (для студентов заочной формы обучения специальности 3805 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение)
Алма-Ата 2001
Введение
Электронные, квантовые приборы и микроэлектронные изделия являются основой практически всех радиоэлектронных и коммуникационных устройств и систем.
Задачей дисциплины “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника” является подготовка студентов к решению задач, связанных с рациональным выбором элементной базы при разработке радиоэлектронной и коммуникационной аппаратуры, квалифицированной эксплуатации микроэлектронной аппаратуры, а также приобретение навыков работы и знаний по работе с электронными приборами и микроэлектронными изделиями.
Дисциплина “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника” базируется на соответствующих разделах курсов математики, физики, теории электрических цепей.
Программа
курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”
Введение
Классификация электронных, квантовых приборов и изделий микроэлектроники. Краткий исторический очерк развития электронной и микроэлектронной техники. Значение курса, как одного из базовых, для радиоэлектронных и коммуникационных специальностей.
Раздел 1. Полупроводниковые приборы
1 Электропроводность полупроводников.
Основные понятия зонной теории. Уровень Ферми для собственного и примесного полупроводников.
Концентрация подвижных носителей зарядов. Генерация, рекомбинация, время жизни носителей. Диффузионное и дрейфовое движения носителей, диффузионный и дрейфовый токи, уравнения диффузии и непрерывности.
2 Физические процессы в электронно-дырочных переходах и контактах.
Электронно-дырочный (p-n) переход в состоянии равновесия. Способы получения переходов. Энергетическая и потенциальная диаграммы, высота потенциального барьера, движение носителей, распределение зарядов и напряженности электрического поля в обедненном слое, ширина перехода.
Прямое и обратное включение p-n перехода. Инжекция и экстракция неосновных носителей, прямой и обратный токи.
Вольтамперная характеристика идеализированного электронно-дырочного перехода, влияние на нее температуры, концентрации примесей, генерации и рекомбинации носителей в области перехода. Вольтамперная характеристика реального электронно-дырочного перехода. Влияние сопротивлений областей при прямом включении. Пробой перехода. Тепловой, лавинный и туннельный пробои при обратном включении, влияние концентрации примесей.
Контакт металл-полупроводник при различных соотношениях работ выхода, контакт с барьером Шотки. Контакт полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы). Энергетические диаграммы контакта металл-полупроводник в состоянии равновесия. Вольтамперные характеристики переходов с барьером Шотки и гетеропереходов.
Статическое и дифференциальное сопротивления электронно-дырочного перехода. Барьерная и диффузионная емкости.
Принципы построения основных полупроводниковых приборов. Классификация полупроводниковых приборов по типу структуры. Приборы, основанные на различных объемных эффектах. Приборы с электронно-дырочными переходами. Приборы, основанные на контактах металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.
3 Полупроводниковые диоды
Классификация. Выпрямительные и детекторные диоды: назначение, устройство, основные параметры, влияние температуры. Стабилитроны, вольтамперная характеристика, параметры, назначение. Варикапы, варакторы, параметрические диоды: назначение, основные параметры. Импульсные диоды: назначение, параметры. Диоды с барьером Шотки, параметры, сравнение с обычными диодами, применения. Туннельные диоды, особенности устройства, вольтамперная характеристика, параметры, применения. Диоды со структурой p-i-n типа, принцип работы, параметры, применение.
4 Биполярные транзисторы
Устройство и принцип действия транзистора, назначение и способы изготовления. Схемы включения: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Режимы работы: активный, отсечки, насыщения, инверсный.
Работа транзистора в активном режиме. Потенциальная диаграмма. Инжекция неосновных носителей в эмиттерном переходе, движения носителей в базовой области, экстракция неосновных носителей в коллекторном переходе. Коэффициенты инжекции и передачи тока эмиттера. Связь между токами электродов. Распределение концентрации неосновных носителей в базе транзистора при различных включениях переходов.
Статические характеристики биполярных транзисторов в схемах с общей базой и общим эмиттером (входные, выходные, прямой передачи, обратной связи).
Эквивалентные схемы и параметры биполярных транзисторов. Физические параметры: коэффициенты передачи токов эмиттера и базы; дифференциальные сопротивления, барьерная и диффузионная емкости эмиттерного и коллекторного переходов; объемные сопротивления областей транзистора. Модель Эберса-Молла. Малосигнальные эквивалентные схемы: Т-образная и П-образная эквивалентные схемы. Транзистор как линейный четырехполюсник, системы его дифференциальных параметров и соответствующие эквивалентные схемы. Связь h-параметров с физическими параметрами.
Определение h-параметров по статистическим характеристикам.
Частотные свойства биполярных транзисторов. Граничные частоты. Предельные частоты коэффициентов передачи по току и мощности. Методы улучшения частотных свойств. Дрейфовые транзисторы. Особенности устройства высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов.
Ключевой режим работы биполярных транзисторов. Импульсные транзисторы.
Предельно-допустимые эксплутационные параметры. Тепловые и электрические параметры. Механические и климатические воздействия. Влияние излучении на работу транзистора. Долговечность и экономичность.
Разброс параметров и характеристик, взаимозаменяемость транзистора.
5 Полевые транзисторы
Устройство и принцип действия. Классификация полевых транзисторов, технологические и конструктивные особенности. Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и с изолированным затвором: режимы работы с обогащением и обеднением канала. Схемы включения с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Статистические характеристики, триодная и пентодная области характеристик. Дифференциальные параметры: крутизна, внутреннее сопротивления и статический коэффициент усиления. Емкости. Эквивалентная схема. Частотные свойства. Области применения полевых транзисторов.
6 Различные полупроводниковые приборы
Тиристоры, устройства, классификация. Диодный тиристор, принцип работы, вольтамперная характеристика, статистические и импульсные параметры. Триодный тиристор, семейство вольтамперных характеристик, статические и импульсные параметры. Применение тиристоров.
Теплоэлектрические полупроводниковые приборы: термистор, болометр и термоэлемент: устройство, параметры, применение. Полупроводниковые резисторы и варисторы. Датчики Холла.
Шумы и шумовые параметры полупроводниковых приборов.
Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы
Оптоэлектронные и квантовые приборы.
Светоизлучатели и фотоприемники.
Фотоприемники. Фотопроводимость полупроводников. Фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор: устройство. принцип работы, характеристики, параметры, применение.
Светоизлучатели: лазеры и светодиоды. Устройство, принцип применения, параметры и характеристики светодиода.
Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, параметры и характеристики. Достоинства полупроводниковых лазеров.
Оптроны: устройство, принцип работы, параметры, характеристики, разновидности и применение.
Индикаторы: жидкокристаллические, полупроводниковые и газоразрядные. Применение.
Раздел III. Микроэлектроника
1 Технологические основы микроэлектроники
Комплексная микроминиатюризация. Основная задача микроэлектроники. Классификация изделий микроэлектроники.
Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) (эпитаксия, термическое окисление, диффузия, ионное легирование, фотолитография, металлизация).
Диоды полупроводниковых ИМС. Диодное включение транзисторов.
Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с барьером Шотки. Горизонтальные и вертикальные р-n-р транзисторы и супербета-транзисторы.
МДП с одним типом кандалов (n-МДП, p-МДП) и с двумя типами каналов (комплементарные КМДП). Особенности этих схем.
Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС (диффузионных и ионно-легированных резисторов, диффузионных и МДП конденсаторов) и отличие их от соответствующих параметров и характеристик дискретных резисторов и конденсаторов.
Температурные коэффициенты сопротивлений и емкостей пассивных элементов полупроводниковых ИМС, их основные отличия от дискретных пассивных компонентов.
Способы изоляции между компонентами ИМС и их особенности.
Способ изоляции элементов в полупроводниковых ИМС, выполненных на основе биполярных структур и последовательность технологических операций при их изготовлении.
Гибридные интегральные микросхемы (микросборки). Особенности толстопленочных и тонкопленочных ИМС, а также параметры и характеристики их пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей).
Основные этапы сборки и типы корпусов для полупроводниковых и гибридных ИМС.
2 Аналоговые микросхемы.
Операционный усилитель (ОУ). Выполнение аналоговых функций (усиление, сравнение, ограничение, частотная фильтрация, суммирование, интегрирование, дифференцирование и др.).
Три каскада интегральных ОУ: входной, промежуточный и выходной. Базовые цепи генераторов стабильного тока или стабилизаторов тока. Каскады сдвига уровня и выходные каскады.
Дифференциальный каскад (ДК). Идентичность параметров транзисторов и нагрузочных резисторов.
Параметры и характеристики ОУ.
Основной принцип применения ОУ – включение глубокой отрицательной обратной связи (ООС).
3 Цифровые ИМС.
Основные виды цифровых ИМС: РТЛ, ДТЛ, ТТЛ и др. Системы параметров интегральных логических элементов.
Логические элементы с барьером Шотки и логические элементы на основе переключателей тока.
МДП транзисторные ключи. Транзисторные ключи на комплементарных структурах (КМДП).
Интегральные логические элементы с инжекционным питанием (И2Л).
Принципы построения триггеров и их типы. Триггер элементарная ячейка запоминающих устройств. Типы запоминающих устройств и их основные параметры.
4 Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)
Повышение степени интеграции основная тенденция развития микроэлектроники.
Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и СБИС.
Особенности базовых элементов БИС и СБИС (n-МДП, КМДП, И2Л).
Приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Базовые матричные кристаллы при создании БИС и СБИС частного применения.
Микропроцессоры, однокристальные микро-ЭВМ, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ЦАП).
Перспективы развития микроэлектроники
Функциональная микроэлектроника. Оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнетоэлектроника, биоэлектроника и др.
Содержание лекций
1 Цели и задачи курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”. Физика полупроводников. p-n- переходы. Полупроводниковые диоды. Разновидности и характеристики.
2 Транзисторы. Принцип действия, разновидности и характеристики.
3 Полевые транзисторы. Принцип действия, разновидности и характеристики.
4 Тиристоры. Принцип действия, разновидности и характеристики.
5 Комплексная микроминиатюризация РЭА. Основная задача микроэлектроники. Классификация изделий микроэлектроники.
6 Основные технологические операции изготовления ИМС. Формирование структур полупроводниковых ИМС. Изготовление гибридных ИMС.
7 Виды аналоговых ИМС. Изготовление дифференциальных усилителей. Операционные усилители.
8 Виды цифровых ИМС. Базовые логические элементы. Интегральные триггеры. Элементы запоминающих устройств. Большие и сверхбольшие интегральные схемы. Перспективы развития микроэлектроники.
Перечень лабораторных работ
1 Исследование полупроводниковых диодов различных типов.
2 Исследование статических характеристик биполярных транзисторов.
3 Исследование цифровых ИМС.
4 Исследование топологии ИМС.
Методические указания
к изучению курса “Электронные, квантовые приборы и
микроэлектроника“
1 Общие указания
В соответствии с учебным планом курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника” студент обязан выполнить контрольную работу, ответить на контрольные вопросы, выполнить лабораторный практикум и сдать экзамен. К сдаче экзамена студент допускается при предъявлении экзаменатору выполненных и зачтенных контрольных работ.
Основной формой изучения курса является самостоятельное изучение рекомендованной литературы. Очные виды занятий являются дополнительной формой в помощь самостоятельной работе студентов по изучению курса.
Кафедра рекомендует вести краткий конспект изучаемого учебного материала. После изучения каждого раздела необходимо ответить на контрольные вопросы и выполнить контрольные задания. На два контрольных вопроса (по разделу II – один) из каждого раздела (согласно шифра, см. задачу № 1 контрольного задания) ответы следует дать в письменной форме.
В приведенных ниже методических указаниях даются ссылки на основные литературы [1, 2]. Однако, для изучения программы курса можно пользоваться и списком дополнительной литературы.
Дополнительной литературой можно также пользоваться для более углубленного изучения отдельных пунктов или разделов программы или в случае отсутствия книг основной литературы.
Методические указания по разделам курса
Раздел 1. Полупроводниковые приборы
1 Электрические свойства полупроводников
[1], с. 29-42;
В этом пункте рассматриваются физические основы полупроводников. Нужно вспомнить основные положения квантовой механики из курса физики: основы зонной теории, статистика Ферми-Дирака, уровень Ферми и его зависимость от концентрации примесей в полупроводниках и температуры. Следует уяснить способы построения энергетических уровней собственных и примесных полупроводников. Нужно различить диффузионный и дрейфовый токи.
2 Физические процессы в электронно-дырочных переходах и контактах
[1], с. 42-55;
Материал этого пункта надо тщательно изучить, так как он является чрезвычайно важным для понимания работы всех полупроводниковых приборов. Необходимо изучить свойства p-n переходов, их энергетические и потенциальные диаграммы.
Надо знать уравнение вольтамперной характеристики, отличие теоретической характеристики от реальной, виды пробоев p-n перехода. Изобразить эквивалентную схему p-n перехода и дать физическое объяснение наличия барьерной и диффузионной емкостей перехода.
Необходимо знать принцип действия контакта металл-полупроводник (барьер Шотки).
3 Полупроводниковые диоды
[1], c. 56-92;
4 Биполярные транзисторы
[1], c. 93-175;
5 Полевые транзисторы
[1], с. 183-211.
Надо усвоить устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляемым p-n переходом, знать их статическое характеристики и дифференциальные параметры.
Следует разобраться с принципом действия, структурой и особенностями полевых транзисторов с изолированными затворами (МДП-транзисторы), их разновидностями; МДП с индуцированным и встроенным каналами. Необходимо знать режимы обеднения и обогащения этих транзисторов и какие из них могут работать в том или ином режиме. Все это необходимо проиллюстрировать на физике процессов, а также с помощью статических характеристик транзисторов.
Следует знать схемы включения, дифференциальные малосигнальные параметры и эквивалентные схемы полевых транзисторов.
Необходимо иметь представление о приборах с зарядовой связью.
Этот материал можно найти в [4].
6 Различные полупроводниковые приборы
[1], c.175-182;
В этом пункте основное внимание уделяется устройству тиристоров. Нужно знать устройство и принцип действия диодного и триодного тиристора. Нужно также уяснить работу теплоэлектрических приборов, полупроводниковых резисторов и варисторов.
Шумы и надежность электронных приборов [1], с. 158-165, 19-22;
Контрольные вопросы к I-разделу
Укажите роль электронных приборов и изделий микроэлектроники в подготовке специалистов Вашего профиля.
Начертите диаграммы энергетических зон собственного и примесного полупроводников и объясните характер электропроводности в полупроводниках.
Что такое диффузионный и дрейфовый токи?
Почему резко снижается концентрация подвижных носителей заряда в приконтактной области двух полупроводников с разными типом проводимости?
Начертите потенциальную диаграмму (или диаграмму энергетических уровней) p-n перехода в равновесном состоянии.
Начертите потенциальную диаграмму (или диаграмму энергетических уровней) p-n перехода при прямом включении.
Начертите потенциальную диаграмму (или диаграмму энергетических уровней) p-n перехода при обратном включении.
Чем отличается реальная вольтамперная характеристика p-n перехода от теоретической?
Какие виды пробоя p-n перехода вы знаете?
Что такое зарядная емкость p-n перехода?
Что такое диффузионная емкость p-n перехода?
Дайте классификацию полупроводниковых приборов по технологии изготовления и по типу структуры.
Как называются приборы, основанные на контакте металл-полупроводник?
Дайте классификацию диодов по конструктивным особенностям и применению.
Каково устройство и принцип действия полупроводникового диода?
Объясните устройство стабилитрона и его включение в схему.
Каковы особенности работы диодов в импульсном режиме?
Дайте классификацию транзисторов по конструкции и их применению.
Начертите схемы включения транзистора с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором?
В чём заключается особенности режимов: активного, отсечки и насыщения?
Расскажите принцип действия биполярного транзистора.
Дайте сравнение усилительных свойств транзисторов в разных схемах включений.
Изобразите статистические характеристики транзисторов и объясните ход их изменения.
Какие системы параметров транзисторов Вам известны и какая связь между ними?
Изобразите эквивалентные низкочастотные Т-образные схемы транзистора.
Что такое предельная частота, граничная частота усиления тока базы?
Нарисуйте диаграмму коллекторного тока при импульсном режиме работы.
Каков принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом?
Нарисуйте схему устройства транзистора с изолированным затвором и объясните его принцип действия.
Изобразите три схемы включения полевого транзистора. Нарисуйте семейство статических (выходных и передаточных) характеристик.
Что такое прибор с зарядовой связью?
Объясните принцип действия динистора.
Объясните вольтамперную характеристику динистора.
Назовите параметры тиристоров.
Объясните принцип действия полупроводниковых резисторов, варисторов.
Объясните принцип действия датчика Холла.
Назовите виды шумов в транзисторе.
Как определяется долговечность прибора?
Что такое интенсивность отказов?
Как влияет режим на надежность полупроводниковых приборов?
Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы
[1], с, 313-327, 356-371;
Данная тема является одним из перспективных направлений развития электроники. Поэтому необходимо уяснить достоинства оптоэлектронных приборов вообще, и оптронов в частности. Краткие сведения по оптронам можно найти в [1] и [4], по индикаторам в [1]. Более полные сведения по ним можно найти в дополнительной литературе [9].
Контрольные вопросы по разделу II
Основные достоинства оптоэлектронных приборов.
Устройство оптрона и основные его узлы.
Светоизлучатели. Основные требования к ним.
Светодиоды. !принцип цействия, характеристики, параметры.
Оптическая среда. назначение, требования к ней.
Фотоприемники. Характеристики и параметры.
Принцип действия фоторезистора, Характеристики и параметры.
Принцип действия и устройство Фотодиода. Фотогенераторный
режим.
Фотопреобразовательный режим фотодиода.
Способы повышения коэффициента передачи тока оптронов.
Фототранзисторы и фототиристоры. Принцип работы и выходные характеристики,
Классификация оптронов. Условные обозначения.
Сравнительная характеристика.
Характеристики оптронов.
Параметры оптронов.
Применение оптронов.
Принцип действия полупроводниковых индикаторов
Жидкокристалические индикаторы. Принцип действия и разновидности.
Газоразрядные индикаторы и плазменные панели.
Применение индикаторов.
Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, характеристики и особенности.
Раздел III. Микроэлектроника
1 Технологические основы микроэлектроники
Средством решения проблемы увеличения надежности, снижения стоимости, массогабаритных показателей и энергопотребления РЭА является комплексная миниатюризация, в широком смысле означающая системный подход к применению в аппаратуре средств микроэлектроники, а в прикладном смысле – метод создания аппаратуры, при котором все ее узлы, блоки и устройства выполнены на базе изделий микроэлектроники. Следует уяснить, что основная задача микроэлектроники – решение вопросов надежности микроэлектронных устройств, состоящих из большого количества элементов. Это и есть – «Тирания большого количества».
Классификация изделий микроэлектроники приведена в [2, с.27-32].
Основным видом изделий микроэлектроники являются ИМС, которые могут быть квалифицированы по технологии изготовления, степени интеграции, функциональному назначению и по применяемости в аппаратуре. Подробно см. [2, с. 23-38].
Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых ИМС (эпитаксия, термическое окисление, диффузия, ионное легирование, фотолитография, металлизация) достаточно полно и компактно описаны в [2, с. 55-78]. Усвойте назначение каждого из базовых процессов, а также умейте без излишней детализации объяснить их сущность.
Основу биполярных полупроводниковых ИМС составляют n-p-n транзисторы. Отличия параметров и характеристик интегрального n-p-n транзистора от дискретного определяются расположением всех трех выводов на одной поверхности, а также влиянием подложки. Обратите внимание на способы улучшения параметров интегрального n-p-n транзистора, в частности, введение скрытого n-слоя.
Диоды полупроводниковых ИМС реализуются на основе n-p-n транзисторов, причем их параметры зависят от схемы включения транзистора в качестве диода.
Весьма важно для понимания принципов построения современных полупроводниковых цифровых ИМС разобраться с устройством и особенностями активных структур, не имеющих дискретных аналогов: многоэмиттерных и многоколлекторных транзисторов, транзисторов с барьером Шотки.
Обратите внимание на проблему реализации p-n-p транзисторов на одной подложке с основными n-p-n транзисторами, поймите отличия горизонтального и вертикального p-n-p транзисторов. Такие элементы наряду с супербета-транзисторами широко используются в полупроводниковых ИМС. Все перечисленные элементы ИМС подробно описаны в [2, с. 89-103].
В МДП ИМС используются структуры с одним типом кандалов (n-МДП, p-МДП) или двумя типами каналов (комплементарные, КМДП). Необходимо ясно понимать, что важным преимуществом МДП ИМС по сравнению с биполярными ИМС является упрощение технологии изготовления и соответственно больший процент выхода годных изделий и меньшая стоимость. МДП активные элементы занимают значительно меньшую площадь на подложке и позволяют реализовать ИМС с очень высокой степенью интеграции при малой потребляемой мощности. Обратите внимание на устройство и особенности КМДП ИМС, являющихся в настоящее время одним из наиболее перспективных типов ИМС. Данные вопросы достаточно кратко и понятно рассмотрены в [2, с. 103-112, 138-145].
Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС (диффузионных и ионно-легированных резисторов, диффузионных и МДП конденсаторов) существенно отличаются от соответствующих параметров и характеристик дискретных резисторов и конденсаторов.
Необходимо знать порядок температурных коэффициентов сопротивлений и емкостей пассивных элементов полупроводниковых ИМС, их основные отличия от дискретных пассивных компонентов и уметь изобразить простейшие модели (эквивалентные схемы), учитывающие паразитные эффекты. Особое внимание уделите МДП конденсаторам, широко используемым в самых новейших разработках дискретно-аналоговых МДП БИС. Следует также понимать, что, несмотря на большой разброс номиналов полупроводниковых резисторов и конденсаторов, отношения номиналов в пределах кристалла выдерживаются с достаточно высокой точностью (0,5...3%). Пассивные компоненты полупроводниковых ИМС подробно описаны в [2, с.116-127]. При изучении элементов полупроводниковых ИМС усвойте способы изоляции между ними и их особенности.
Способ изоляции элементов в полупроводниковых ИМС, выполненных на основе биполярных структур, во многом определяет как предельно достижимые параметры и характеристики ИМС, так и последовательность технологических операций при их изготовлении. Следует понимать, что в полупроводниковых ИМС на МДП структурах изоляция между элементами не требуется.
Известные способы изоляции между элементами разделяются на два главных типа: изоляция обратно смещенным p-n переходом и изоляция диэлектриком.
Гибридные интегральные микросхемы (микросборки) представляют собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. В настоящее время в качестве дискретных активных элементов, кроме бескорпусных транзисторов и диодов, широко используют полупроводниковые ИМС различной степени интеграции, в частности, операционные усилители, триггеры, регистры и т.д. Таким образом, гибридные ИМС представляют собой не только функциональные узлы (усилители, звенья фильтров и т.д.), но и целые блоки устройства РЭА. Аналогом гибридной ИМС в МЭА третьего поколения является печатная плата, заполненная компонентами в виде корпусированных ИМС.
Использование гибридных ИМС в РЭА четвертого поколения позволяет резко уменьшить массогабаритные параметры и повысить надежность.
При изучении гибридных ИМС обратите внимание на особенности толстопленочных и тонкопленочных ИМС, а также параметры и характеристики их пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей). Этот материал достаточно подробно изложен в [2, с. 115-202]. Методы получения толстых и тонких пленок приведены в [2, с. 195-172].
Особое внимание уделите изучению вопросов расчета и проектирования гибридных ИMС, необходимых для успешного выполнения третьей задачи контрольной работы [2, с. 203-216].
Основные этапы сборки и типы корпусов для полупроводниковых и гибридных ИМС рассмотрены в [2, с. 145-148, 198-202].
2 Аналоговые ИМС
Номенклатура современных аналоговых ИМС обширна и разнообразна по функциональному назначению [2, с. 284-288].
Наиболее распространенным типом многофункциональных аналоговых ИМС является операционный усилитель (ОУ), с помощью которого возможно выполнение всех аналоговых функций (усиление, сравнение, ограничение, частотная фильтрация, суммирование, интегрирование, дифференцирование и др.) [2, с. 288-290];
Для успешного изучения устройства ОУ предварительно познакомьтесь с базовыми цепями аналоговых ИМС.
Широкое применение в аналоговых ИМС нашли базовые цепи генераторов стабильного тока или стабилизаторов тока. Необходимо понять назначение таких цепей, знать их вольтамперную характеристику и уметь пояснить принцип стабилизации тока как в простейших стабилизаторах, так и в "отражателях тока".
Разберитесь без особой детализации с назначением и принципом действия каскада сдвига уровня и выходных каскадов.
Важнейшей базовой цепью аналоговых ИМС, в полной мере использующей основные преимущества интегральной технологии, является дифференциальный каскад (ДК). Идентичность параметров транзисторов и нагрузочных резисторов в обоих плечах ДК, а также близость расположения элементов на подложке ИМС позволяют обеспечить параметры, недостижимые при использовании дискретных компонентов. Ознакомьтесь с принципом действия и основными параметрами ДК, обратив особое внимание на выражения для коэффициента подавления синфазной составляющей сигнала и коэффициента усиления дифференциальной составляющей сигнала.
Современные интегральные ОУ содержат три каскада: входной, промежуточный и выходной. Входной каскад всегда является дифференциальным каскадом, промежуточный – каскадом сдвига уровня и выходной –эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах [2, с. 288-291] .
Необходимо иметь ясное представление о параметрах и характеристиках ОУ. Наряду с параметрами ОУ, определенными входным дифференциальным каскадом, следует понимать параметры, характеризующие его частотные свойства. Граничная частота или частота единичного усиления, составляющая для современных ОУ десятки МГц, определяется при коэффициенте усиления, равном единице [2, с. 289-291].
Обратите внимание на основной принцип применения ОУ – включение глубокой отрицательной обратной связи (ООС), позволяющей за счет избыточного коэффициента усиления обеспечить независимость параметров функционального узла от параметров ОУ. В частности, при введении сопротивления ООС коэффициент усиления определяется отношением резисторов на входе и в цепи ООС. Основные сведения об ОУ и принципах их применения содержатся в [2, с. 284-292].
3 Цифровые ИМС
Базовыми ячейками всех цифровых ИМС являются логические элементы, выполняющие логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ [2, с. 260-262].
Особое внимание уделите изучению системы параметров интегральных логических элементов [2, с. 263-266]. Основные статические параметры логического элемента могут быть определены из передаточной характеристики.
В основу классификации ИМС логических элементов положено их схемотехническое построение [2, с. 266-271]. Значительно облегчит понимание особенностей каждого вида ИМС логических элементов предварительное рассмотрение статического и динамического режимов простейших логических элементов.
Необходимо понимать причины ограничения быстродействия логических элементов. Основным способом повышения быстродействия является уменьшение степени насыщения транзисторов без изменения величины нагрузочных резисторов. Этот принцип реализуют логические элементы с барьером Шотки и логические элементы на основе переключателей тока.
При изучении МДП транзисторных ключей особое внимание уделите особенностям и преимуществам комплементарного ключа (КМДП).
В настоящее время наибольшее распространение в ИМС малой и средней степени интеграции получили транзисторно-транзисторные (ТТЛ), транзисторно-транзисторные с барьером Шотки (ТТЛШ) и эмиттерно-связанные (ЭСЛ) интегральные логические элементы. Изучите схемы и особенности таких элементов, а также ориентировочные параметры каждого из них.
В больших интегральных схемах (БИС) широкое распространение получили МДП- и КМДП-интегральные логические элементы [2, с. 275-280], а также интегральные логические элементы с инжекционным питанием (И2Л). Особое внимание обратите на принципы работы схем И2Л, существенно отличающиеся от принципов работы других логических элементов. При изучении МДП-интегральных логических элементов помните, что наряду с элементами на ранее рассмотренных статических ключах иногда используются динамические элементы, имеющие определенные преимущества по потребляемой мощности.
Необходимо знать ориентировочные параметры всех типов интегральных логических элементов и уметь сравнить их между собой.
На основе интегральных логических элементов реализуются интегральные логические триггеры. Функциональное отличие триггера от логического элемента состоит в том, что триггер обладает двумя устойчивыми состояниями по каждому из выходов. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое возможны при определенной логической комбинации входных сигналов. По логической структуре переключения различают типы триггеров. Необходимо знать принципы их построения и типы.
Триггер является элементарной ячейкой запоминающих устройств. Следует различать типы запоминающих устройств и их основные параметры.
Разнообразие видов триггеров объясняется их применением для построения арифметических и логических устройств.
Дальнейшее совершенствование цифровых ИМС с целью улучшения технико-экономических показателей возможно за счет схемотехнических и технологических приемов [2, с. 281-284].
4 Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)
Повышение степени интеграции является основной тенденцией развития микроэлектроники, так как использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей аппаратуры.
Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и СБИС, подробно рассмотрены в [2].
В цифровых БИС находят применение базовые ячейки, занимающие малую площадь на подложке и обладающие минимальной потребляемой мощностью (n-МДП, КМДП, И2Л).
В настоящее время для создания БИС и СБИС начали использовать функционально-интегрированные структуры, в частности, приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Увеличение степени интеграции приводит к резкому сужению сферы применения БИС и СБИС, что делает их производство экономически нецелесообразным. Исключение составляют БИС и ОБИС для средств вычислительной техники. Использование базовых матричных кристаллов при создании БИС и СБИС частного применения снимает экономические ограничения.
Широкое использование средств вычислительной техники и цифровой обработки сигналов стимулируется созданием цифровых БИС микропроцессоров, однокристальных микро-ЭВМ, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (АЦП, ЦАП). Начальные сведения о таких БИС содержатся в [2, с. 221-241, 298-302]. Особое внимание при изучении раздела обратите на структуру и основные возможности микропроцессоров, являющихся наиболее сложными и универсальными БИС [2, с. 198-302].
Перспективы развития микроэлектроники
Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров [2, с. 345, 375-380].
Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волна